تصميم نظم توليد الطاقة المستدامة لقاعدة القمر

إن إنشاء وجود إنساني دائم ومستدام على سطح القمر يمثل أهم الحدود الهندسية للقرن الحادي والعشرين، وفي حين أن مركبات الإطلاق ذات الرفع الثقيل ونماذج الموئل المتقدمة تلتقط الخيال العام، فإن حجر الأساس لأي قاعدة قمرية قابلة للبقاء هو نظام توليد الطاقة وتوزيعها، كما أن القمر يشكل بيئة عدائية استثنائية للهياكل الأساسية الكهربائية: التقلب الحراري الشديد، والليل الذي يستغرق ٣٥٤ ساعة، والتوزيع الكهرومغناطيسي المكثف، ومستويات الإشعاع العالية.

The Harsh Lunar Energy Landscape

وقبل تقييم تكنولوجيات محددة، من الأهمية بمكان فهم القيود المادية الفريدة التي تفرضها بيئة التشغيل القمرية، وسيفشل نظام الطاقة المصمم للأرض أو حتى المدار المنخفض الأرض (مثل محطة الفضاء الدولية) على سطح القمر دون تعديل واسع النطاق.

حرفية وخامية

وتقلبات درجة الحرارة العالية من حيث ارتفاعها من 127 درجة مئوية تقريباً خلال النهار إلى 173 درجة مئوية في الليل، وتراوحت بين 300 درجة مئوية تحدث كل 29.5 يوماً من أيام الأرض، وتتسبب هذه التقلبات الحرارية المتردية في توسع وتقلص المواد، وتتحول الكسور السلكي إلى رشوة، وتعاني العناصر الهيكلية من الارتداد الحراري، والبطاقات التقليدية التي تُعد آلافاً.

The 354-Hour night: The Energy Storage Wall

250 وحدة طاقة في خط الاستواء، وحوالي 354 ساعة (14.75 يوم أرضي) هذا هو أكثر القيود تعريفاً لتصميم نظام الطاقة الكهربائية، ولتوضيح حجم التحدي: إذا كانت قاعدة القمر تتطلب كمية كبيرة من الوقود المزود ببطارية كهربائية مستمرة تبلغ 100 كيلوواط طوال الليل، فعليها إما أن تولد تلك الطاقة باستمرار (يشترى مصدراً يعتمد على الليل مثل الأسلحة النووية) أو أن تخزن حوالي 35.4 طن

الدوق، الإشعاع، والأخطار المصغرة

كما أن إعادة التذبذب في الهواء هي غبار مكثف وزجاجي وغطاء كهربي يُحمَّل بالكهرباء من الإشعاع فوق البنفسجي بالطاقة الشمسية، ويلتزم بأجهزة التراب المبردة، وأجهزة الترميز الكهربائي المزودة بأجهزة مزودة بأجهزة مزودة بأجهزة مزودة بأجهزة كهربائية، ويتسبب في حدوث تضخم في أجهزة التسخين الحراري،

تكنولوجيات توليد الطاقة الأولية

ولا يمكن لأي جيل واحد أن يلبي على الوجه الأمثل جميع مطالب قاعدة القمر، ومن المؤكد أن وجود هيكل مرن ومستدام سيكون نظاما هجينا يجمع بين قوّة المصادر المتعددة لتوفير كل من الحمولة الأساسية والقوة القصوى.

الفولطية: مجموعة عمل يوم القمر

الطاقة الشمسية هي أكثر مصادر الطاقة وفرة على القمر، والثبات الشمسي على سطح القمر هو تقريبا 1.36 كيلوواط/م2، أعلى من سطح الأرض بسبب نقص الطاقة في الغلاف الجوي، ومع ذلك، فإن مفتاح جعل الفولطية الضوئية قابلة للبقاء ينتقل إلى ما هو تقليدي من الألواح الشمسية الأرضية.

-وهذه الخلايا الشمسية ذات الكفاءة العالية، مثل تلك المستخدمة في قاذورات المريخ، توفر كفاءة تتجاوز 30 في المائة، وتزيد مقاومة الضرر الإشعاعي، وتنمو عادة على مواضع الزروعة، ويمكن أن تلتقط مجموعة أوسع من ضوء الشمس، ونسبة الرشّة العالية الارتفاع (مثلاً، التصاميم الرأسية المتحركة أو الشبهات المتذبذبة)

The ]NASA Lunar Surface Innovation Initiative] is actively funding research into autonomous deployment of large-scale solar arrays. These systems must be light weight, self-erecting, and capable of surviving the thermal cycling withoutميكانيكي failure.

الطاقة السطحية: وحدة تعبئة القاعدة

وبالنسبة للأسس الموجودة في المواقع غير القطبية، أو للعمليات الصناعية التي تتطلب ميغاوات من الطاقة المستمرة بغض النظر عن الدورات النهارية/الليلوية، فإن الطاقة السطحية الأنثوية هي أكثر التكنولوجيات قابلية للاستمرار، بخلاف الطاقة الشمسية، فإن المفاعلات الانشطارية تنتج طاقة ثابتة مستقلة عن ضوء الشمس أو التوجه أو تكديس الغبار.

وقد أثبت كل من وكالة ناسا وإدارة الطاقة بنجاح ] مشروع الطاقة الكيلونية ] ، الذي أثبت أن مفاعلاً صغيراً قابلاً للتكدس يمكن أن يوفر 1 إلى 10 كيلوواط من الطاقة الكهربائية لمدة 10 سنوات على الأقل، ويستخدم المفاعل مفاعلاً حرارياً من طراز يورانيوم-235 ويحول محركاً دائماً

إن التحديات الرئيسية أمام الانشطارات القمرية هي الإدارة والسلامة الحرارية، إذ إن رفض حرارة النفايات الهائلة التي يولدها المفاعل يتطلب صفائف واسعة النطاق من المشعين يجب أن تظل خالية من الغبار وموجهة بشكل سليم، ومن منظور السلامة، يجب تصميم المفاعل بحيث لا يكون حرجا أثناء حادث الإطلاق، ويشمل ذلك إطلاق القاع الأساسية غير المجمعة أو بقنابل التحكم التي يتم إدخالها بالكامل، والاكتفاء بتفعيل النظام في حالة دفنه في مأمون.

خلايا الوقود المتجددة وشبكة إس آرو

وتوفر خلايا الوقود التجددية آلية تخزين للطاقة ذات سطح مغلق ومستدام للغاية، وتستخدم الطاقة الشمسية الزائدة في اليوم القمري لتوليد المياه الكهرومغناطيسية في الهيدروجين والأكسجين، وتخزن هذه الغازات تحت الضغط أو التجمد، وتعاد في ليلة القمر تركيب الهيدروجين والأكسجين في كومة خلية الوقود لتوليد الكهرباء والحرارة والماء الكهرومغناطيسي، التي تغذيها في وقتها.

إن الكفاءة الحقيقية لمركبات الكربون الهيدروفلورية تكمن في تآزرها مع استخدام الموارد في الموقع، و ] ] تركز بشدة على استخراج ثلج الماء من المناطق التي تسودها باستمرار في مستودعات الوقود الشحوم.

تكنولوجيات تخزين الطاقة لليلة القمر

وحتى مع قوة تحميل الأسلحة النووية، فإن تخزين الطاقة ضروري لتصليح الذروة، وتقليص حجم الحمولة، ودعم الطوارئ، والعقوبات الجماعية القصوى على البطاريات البحرية تجعل هذا المجال من مجالات البحث الحاسمة.

البطاريات الكهربائية - الكيميائية: ليون ودولة صلبة

وتظل بطاريات الليثيوم هي المعيار الذي يُستخدم في فترات قصيرة، والتطبيقات العالية القدرة (تجري عملية التفريغ، أو تبدأ مفاعلاً، أو تنجو من كسوف قصير)، غير أن قدرتها المنخفضة على الارتداد في درجات الحرارة الباردة تحد من استخدامها في البقاء في الليل لمدة طويلة، كما أن البطاريات الصلبة التي تحل محل الكهروليت السائلي بجهاز موصل صلب، توفر قدراً أكبر من الطاقة (الحجم)

تخزين الطاقة الحرارية: ثيرموس عالية التقنية

إن تخزين الطاقة الحرارية هو حل واضح لليلة القمر، حيث يستخدم في اليوم فائض الطاقة الشمسية أو الحرارة النووية لذوبان مادة للتغيرات التدريجية أو مجرد حرارة مجموعة صلبة من المواد ذات القدرة الحرارية العالية، مثل البصل أو الخزف المخيّز، وأثناء الليل، تحول الحرارة المخزنة إلى كهرباء باستخدام محرك حراري أو بديل

Lunar Grid Architecture and Microgrid Design

إن توليد الطاقة هو نصف التحدي فحسب؛ إذ أن توزيعها بشكل موثوق عبر بيئة مُغبرة وباردة ومُصابة بالإشعاع يتطلب هيكلاً قوياً للغاية للشبكة.

توزيع البلدان النامية ذات الأصول العالية

ومن المؤكد أن انتقال الطاقة من مسافة بعيدة إلى القمر سيستخدم التيار المباشر عالي الفولط، ويتجنب المجلس فقدان القدرة الاستباقية وقضايا تزامن التردد المتأصلة في شبكات AC، كما أن هناك مجموعة موحدة من الحافلات (مثل 120 من طراز VDC أو 350 من طراز VDC) ستسمح لموائل مختلفة، ودوارات، ومصانع تجهيزات لتوليد الطاقة الكهربائية دون هوادة.

إعادة التوحيد والمراقبة المستقلة

إن قاعدة القمر مثال بالغ على التطبيق الحرج للبعثة، ويجب أن تكون شبكة الطاقة موثوقة بنسبة 100 في المائة، وهذا يتطلب رسماً احتياطياً من المستوى الوطني + 2 أو 3، مما يعني وجود مولدات احتياطية متعددة ومصارف تخزين جاهزة للاستيلاء على الفور، كما أن أجهزة التحكم في شبكات الطاقة الصغيرة الذكية، باستخدام خوارزميات التعلم الآلي، ستدير تلقائياً عملية الفرز بالتكفير، والتنبؤ بالطلب على الطاقة القائمة على الجداول التشغيلية.

The Path to Sustainability: In-Situ Power Generation

والهدف النهائي من الطاقة المستدامة لللونار هو كسر الاعتماد على سلسلة الإمداد الأرضية، وهذا يعني أن مكونات توليد الصنع والتخزين مباشرة من المواد القمرية.

باحثون يقومون بتطوير تقنيات لإنتاج خلايا شمسية من بقايا قمر مائل باستخدام عملية مماثلة لاستخراج السيليكون في مؤسسات أرضية، وفي حين أن كفاءة الخلايا الشمسية القائمة على إعادة البناء أقل حالياً من الخلايا الأرضية العالية النقاء، فإن هذه الخلايا هي في الأساس حرة في إنتاجها من حيث الكتلة الإصطناعية.

الاستنتاج: The Hybrid Lunar Grid

إن تصميم نظام مستدام لتوليد الطاقة لقاعدة القمر يتطلب من المهندسين أن يفرغوا من كتاب القواعد الأرضية وأن يبتكروا من المبادئ الأولى، ولا توجد رصاصة فضية واحدة، وسيشكل الهيكل الفائز لأول قواعد دواء دائمة نظاما هجينيا متوازنا بعناية، وسيجمع بين القوة السطحية الليفية للطاقة الأساسية المستمرة والموثوقة بغض النظر عن الدورة النهارية/الليلية؛ والصفوف الضوئية العالية الكفاءة من أجل توليد الكتلة الجليدية المنخفضة.

وتثبت إلى حد كبير تكنولوجيات تحقيق ذلك في المختبر أو في البعثات المظاهرية، أما الأعمال المتبقية فهي هندستها في البيئات المتطرفة، وإدماجها في نظام متماسك، والحد من تكلفة النشر من خلال استراتيجيات الاتحاد الدولي للإنشاء والتعمير، ولن تتيح شبكة الطاقة المستدامة التي نبنيها على القمر وجود إنساني دائم فيها فحسب، بل ستستخدم أيضاً كمنطقة حاسمة الأهمية لخلق الطاقة اللازمة للوصول إلى المريخ.